脑机启侦 | 类蜻蜓翅脉结构实现亚微米皮层电极自支撑与共形贴合（09.24）

近日，在浙江大学张韶岷教授的指导和帮助下，大连技术团队在国际顶级期刊《自然通讯》(Nature Communications)上发表题为“一种可自支撑的亚微米皮层脑电电极阵列”（A freestanding submicron electrocorticography electrode array）的研究论文。

皮层电极贴敷在大脑皮层表面，可以实时采集和调控脑电信号，是半侵入式脑机接口系统的核心器件。大脑皮层极其柔软（弹性模量仅为千帕量级）且形貌复杂（脑沟深宽比可达20:1），要求皮层电极超薄超软，才能够与大脑的力学性能相匹配，与褶皱的沟回表面共形贴合，从而降低异物排斥反应，提高脑电信号质量。但是，超薄超软的皮层电极无法自支撑，会自发卷曲或褶皱，导致难以操作和植入。如何使皮层电极兼具贴合时的“柔性”和操作时的“刚性”，是制约该领域发展的瓶颈问题。

针对该问题，研究团队受蜻蜓翅膀的“脉-膜”复合结构启发，提出一种高性能极薄皮层电极设计与制造方法。针对皮层电极自支撑性能，构建脉-膜复合结构弯曲变形力学模型，解算出类翅脉支撑结构的宽度与厚度阈值；针对皮层电极共形贴合性能，构建弯曲能与变形能的竞争模型，优化出类翅膜功能区域的几何参数。在此基础上，基于成熟的光刻工艺，提出一种“脉-膜”复合结构制造方法，研制出可自支撑的厚度仅为850 nm的高性能皮层电极，化解了“刚”与“柔”不可兼得的矛盾（图1）。开展了皮层电极植入及癫痫脑电信号监测动物实验，与厚度10μm的皮层电极相比，亚微米皮层电极采集的脑电信号幅值和信噪比以及阻抗、长期记录稳定性和生物兼容性等均得到了全面提升（图2）。